第3章機器零件用鋼

根據(jù)鋼的生產(chǎn)工藝和用途，可分為：調(diào)質(zhì)鋼、低碳馬氏體鋼、超高強度結構鋼、滲碳鋼、氮化鋼、彈簧鋼、軸承鋼和易削鋼等。第3章機器零件用鋼根據(jù)鋼的生產(chǎn)工藝和用途3.1概述

一、機器零件用鋼的性能要求

1、具有良好的冷熱加工工藝性如鍛造、沖壓、熱處理、車、銑、刨、磨等。

2、具有良好的力學性能不同零件，對鋼強、塑、韌、疲勞、耐磨性等有不同要求。一般為亞共析鋼，低合金或中合金，優(yōu)質(zhì)鋼或高級優(yōu)質(zhì)鋼。3.1概述一、機器零件用鋼的性能要求

二、機器零件用鋼合金化特點

主加元素

Cr、Mn、Si、Ni。主要作用：↑淬透性和力學性能。輔加元素

Mo、W、V等

↓過熱敏感性，↓回脆，↑淬透性。最佳范圍

獲得最佳性能→稱為極限合金化理論結構鋼常用范圍為：<1.2%Si,<2%Mn，1~2%Cr,1~4%Ni，<0.5%Mo，<0.2%V,<0.1%Ti，0.4~0.8%W?；蚴菃为毤尤耄蚴菑秃霞尤?。二、機器零件用鋼合金化特點主加Cr、Mn

三、零件材料和工藝選擇途徑①低碳馬氏體型結構鋼，采用淬火+低溫回火。為↑耐磨性，可進行滲碳處理；汽車拖拉機齒輪類為代表.②回火索氏體型，選擇中碳鋼，采用淬火+高溫回火。為↑耐磨性，可進行滲氮處理或高頻感應加熱淬火等表面硬化工藝方法。軸類零件為典型。1、對于要求良好綜合力學性能，零件選材料的途徑為：三、零件材料和工藝選擇途徑①低碳馬氏體型2、如要求更高的強度，則適當犧牲塑韌性?？蛇x擇中碳鋼，采用低溫回火工藝。如低合金中碳馬氏體鋼。農(nóng)業(yè)機械較多.3、如要求高的彈性極限和屈服強度，又要有較高的塑性和韌度，則選擇中高碳鋼，進行中溫回火。如彈簧鋼。4、零件要求高強度、高硬度，高接觸疲勞性和一定的塑性和韌度，可用高碳鋼，淬火+低溫回火。如軸承鋼。

2、如要求更高的強度，則適當犧牲塑韌辨證思維

由于不同機器零件的服役條件和失效方式不同，主要的設計依據(jù)和失效判據(jù)也不同，所以應合理選擇鋼的含碳量和熱處理工藝。

應該明確:

一般情況下，某零件制造的材料并不是唯一的；某一種鋼采用不同的熱處理工藝可以制造不同類型的零件；某一零件用某一材料制造，其熱處理工藝方法也可能是多種的。

辨由于不同機器零件的服役條件和失效方式不同，主要的3.2整體強化態(tài)鋼基本情況

整體強化態(tài)鋼均承受拉、壓、扭等交變應力，大部分是整體受力。其主要失效形式是疲勞破壞，主要性能指標σ-1、Rm、AK、KIC等?？傮w上要求良好的綜合力學性能。主要應用

主要制造軸、桿、軸承類等機器零件，如連桿、螺栓、主軸、半軸等。這類鋼主要有調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼、軸承鋼、低碳馬氏體鋼、超高強度鋼等。3.2整體強化態(tài)鋼基整體強化態(tài)鋼均承受拉、壓

汽車半軸

a)一端法蘭式;

b)二端花鍵式;

c)變截面臺階式

M7150A砂輪主軸汽\拖用連桿汽車半軸

a)一端法蘭式;

b)二端花下圖T615K鏜床鏜桿上圖S7332螺紋磨床絲杠下圖T615K鏜床鏜桿上圖S7332螺紋磨床絲杠

3.2.1調(diào)質(zhì)鋼

1、淬透性原則淬透性相同的同類調(diào)質(zhì)鋼，可互相代用

0.25~0.45%C的合金鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)后室溫性能變化

屈服強度相同的碳鋼和合金結構鋼斷面收縮率變化

3.2.1調(diào)質(zhì)鋼1、淬透性原則淬透性相同的結構鋼抗拉強度與硬度的關系結構鋼是否淬透對屈強比的影響結構鋼抗拉強度與硬度的關系結構鋼是否淬透對屈強比的影響

2、合金化及常用鋼

含碳量在0.25~0.45%。常用合金元素作用：Mn：↑↑淬透性，但↑過熱傾向，↑回脆傾向；Cr：↑↑淬透性，↑回穩(wěn)性，但↑回脆傾向；Ni:↑基體韌度，Ni-Cr復合↑↑淬透性，↑回脆；Mo：↑淬透性,↑回穩(wěn)性，細晶,↓↓回脆傾向；V：有效細晶，(↑淬透性)，↓↓過熱敏感性。2、合金化及常用鋼Mn：↑↑淬透性，但↑過熱傾向，↑回脆

在機械制造工業(yè)中，調(diào)質(zhì)鋼是按淬透性高低來分級的。DC為油淬臨界直徑

低淬透性合金鋼:DC<30~40mm,有40Cr、40Mn2、42SiMn、35CrMo、42Mn2V等

中淬透性合金鋼:DC:40~60mm,有40CrNi、42CrMo、40CrMn、30CrMnSi等

高淬透性合金鋼:DC≥60~100mm,有37CrNi3、40CrNiMo、40CrMnMo等在機械制造工業(yè)中，調(diào)質(zhì)鋼是按淬透性高低來

分析比較：40Cr→40CrNi→40CrNiMo淬透性回脆性回穩(wěn)性塑韌性

40CrNiMo>40CrNi>40Cr

40CrNiMo>40CrNi>40Cr

40CrNiMo>40CrNi>40Cr

40CrNi>40Cr>40CrNiMo思考：以Mn代Ni，在性能上有什么差別？分析比較：40Cr→40CrNi→40CrNiMo淬3、調(diào)質(zhì)鋼強韌化工藝的發(fā)展

正確認識性能指標AK是一次大能量沖擊性能指標，小能量多沖條件下工作的，很難正確反映。有些重要零件應以斷裂韌度KIC來衡量。由于服役條件差異，鋼最佳綜合性能也不一定都是高溫回火態(tài)好。零件在承受沖擊能量大時，鋼強度應低些，塑性和韌度宜高些；沖擊能量較小時，強度應高些。以達最佳配合。3、調(diào)質(zhì)鋼強韌化工藝的發(fā)展正確AK是一次大綜合強化工藝

如復合熱處理，即熱處理強化、表面處理及形變強化工藝結合起來。如汽車轉(zhuǎn)向節(jié)園角處進行高頻淬火處理后，疲勞壽命提高了50倍冷變形鍛造余熱淬火

如滾壓、噴丸等冷變形方法的效果也比較好,能提高零件壽命

既能節(jié)約能源、簡化工序，又能細化組織，提高零件的強韌性。如柴油機連桿，已普遍采用鍛造余熱淬火工藝綜合如復合熱處理，即熱處理強化、表面冷變鍛造3.2.2微合金非調(diào)質(zhì)鋼

一、微合金元素對強韌化的貢獻

非調(diào)鋼組織：主要是F+P+彌散析出K。主要強化作用：細化組織和相間沉淀。微合金化元素：Ti、Nb、V、N等元素，

V是主要的。多元適量，復合加入：Nb-V-N和Ti-V等—

主要貢獻是細化組織。3.2.2微合金非調(diào)質(zhì)鋼一、微合金元素對強韌化的貢

二、獲得最佳強韌化的工藝因素相間析出沉淀強化細化組織工藝參數(shù)是關鍵

細化組織和沉淀析出要協(xié)調(diào)控制軋制控制冷卻

決定各種強化機制的效果二、獲得最佳強韌化的工藝因素相間沉淀強化細化組織工藝相間沉淀析出示意圖相間沉淀析出示意圖

三、組織因素對強韌性貢獻的大小

間隙型碳氮化合物沉淀析出的強化量一般認為可提高150~400MPa，甚至可達到600MPa。細化組織強化量大約在50~300MPa，脆化矢量為-0.66℃/MPa。其它強化機制都不同程度地降低韌度三、組織因素對強韌性貢獻的大小C、N原子的固溶強化，其脆化矢量分別為0.72℃/MPa、1.97℃/MPa；

Mn和Cr元素的脆化矢量為零；

Si為0.53℃/MPa。鐵素體中固溶C、N量極小，Mn和Si固溶量有限。所以固溶強化相對是較小的。

在強化機制上，不同的成分和工藝是不同的，所以使鋼的組織、性能也有很大的差異。C、N原子的固溶強化，其脆化矢量分別在強化Mn對非調(diào)質(zhì)鋼韌度的影響

V、Ti、Nb對強度的影響Mn對非調(diào)質(zhì)鋼韌度的影響V、Ti、Nb對強四非調(diào)質(zhì)鋼的優(yōu)化設計

通過合適的成分配比和工藝控制可達到同時提高強度和韌度的目的。

+CU為沖擊韌性,Rm為抗拉強度,D是珠光體片間距,fp是珠光體體積分數(shù),dr為奧氏體晶粒大小,△Rmp四非調(diào)質(zhì)鋼的優(yōu)化設計通過合適的成分配比和工藝控制可復合微合金化非調(diào)質(zhì)鋼典型成分復合微合金化非調(diào)質(zhì)鋼典型成分

3.2.3彈簧鋼

一、彈簧的服役條件及性能要求

彈簧功能儲能減振彈簧類型板簧，螺簧；壓簧、拉簧和扭簧等3.2.3彈簧鋼一、彈簧的服役條件及性能要求

典型的螺旋彈簧及板簧壓縮螺簧拉伸螺簧扭轉(zhuǎn)螺簧單板彈簧橢圓板簧疊形板簧

卡簧（圈）基本形狀碟形彈簧截面

扭桿彈簧

a)實芯扭桿b)串聯(lián)式扭桿

卡簧（圈）基本形狀碟形彈簧截面扭桿彈簧板簧彎曲載荷螺簧扭轉(zhuǎn)應力疲勞破壞彈性減退

高的彈性極限σe、屈強比σs/σb→彈性↓

高的疲勞強度σ-1→避免早期疲勞破壞有足夠的塑性和韌性→

不產(chǎn)生脆性斷裂

足夠的淬透性→保證σe和整體強度

其他要求:冶金質(zhì)量、表面質(zhì)量板簧彎曲載荷螺簧扭轉(zhuǎn)應力疲勞破壞高的彈性極限σe、屈強比思考題：為什么彈簧要求有好的表面質(zhì)量，如表面不允許有裂紋、折迭、嚴重脫碳等缺陷?思考題：二、常用彈簧鋼及強化工藝

合金化：含碳量在0.60~1.05％,低合金彈簧鋼在0.40~0.74％C。?+Si、Mn、Cr、V等合金元素.Cr和Mn主要是提高淬透性，Si提高彈性極限，V提高淬透性和細化晶粒.二、常用彈簧鋼及強化工藝合金化：

60Si2Mn:①Si、Mn復合,強化F,→↑σe，σs/σb可達到0.8~0.9；

②

Si

/Mn

↑淬透性，Ms不過分↓,開裂傾向小;

③

Si有效↑回穩(wěn)性,但↑脫C傾向;

④

Si、Mn復合，脫碳和過熱敏感性較硅鋼、錳鋼為小.常用硅錳板簧鋼有60Si2Mn、55Si2Mn等60Si2Mn:常用硅錳板簧鋼有60Si2Mn、55S常用螺旋彈簧鋼有50CrVA等。

50CrVA:①Cr、V均↑回穩(wěn)性,韌性好；

②

V細化晶粒,↓過熱敏感性;

③

含Si少,脫C敏感性↓,熱處理不易脫C;

常用于受應力高的螺旋彈簧及<300℃工作的閥門彈簧.常用螺旋彈簧鋼有50CrVA等。50CrVA:基本工藝方式熱成形彈簧冷成形彈簧大型彈簧

熱成形后+淬、回火小型彈簧冷變形或熱處理強化+冷成形+低溫退火基本熱成形冷成形大型熱成形后+小型冷變形或熱處

火車緩沖壓縮螺旋彈簧熱成形的三種熱處理工藝

a)常規(guī)熱處理b)熱卷簧余熱淬火c)高溫形變熱處理火車緩沖壓縮螺旋彈簧熱成形的思考題：大型彈簧為什么要先成形后強化，小型彈簧先強化后成形?

小型彈簧成形后為什么進行低溫退火?機器零件用鋼課件熱處理工藝淬火和中溫回火

回火屈氏體

具有一定的沖擊韌度，較高的彈性極限、屈強比和最高的疲勞強度關鍵問題:彈性參數(shù)和韌性參數(shù)之間的平衡或最佳配合。熱處理淬火和回火具有一定的沖擊韌度，較高的彈性極關

60Si2Mn鋼力學性能與回火溫度的關系

55Si2Mn鋼疲勞強度隨回火溫度的變化60Si2Mn鋼力學性能與55Si2Mn鋼疲勞強度隨形變強化效果好

板簧最適合形變強化:

滾壓、噴丸等冷變形強化強化都能有效地提高板簧使用壽命,如結合高溫形變熱處理則更好板簧噴丸作用舉例:

疲勞強度(MPa)

板厚/mm未噴丸噴丸應力噴丸

1339047080011350700850形變強化效果好板簧最適合形變強化:板簧噴丸作用舉例:3.2.4滾動軸承鋼

一、滾動軸承鋼的工作特點及性能要求

滾動軸承由內(nèi)、外圈和滾動體（珠、柱、錐、針）及保持器組成。工作條件高負荷→最大接觸應力可高達3000~5000MPa高轉(zhuǎn)速→循環(huán)周次高達每分鐘數(shù)萬次；高靈敏度→精度要求高→磨損、麻點→噪音失效形式接觸疲勞破壞，麻點、剝落3.2.4滾動軸承鋼一、滾動軸承鋼的工作特點及性能要

滾動軸承及其受到載分布情況

滾動軸承及其受到載分布情況滾針保持架組件滾子軸承圓柱滾子推力軸承圓錐滾子推力軸承滾針保持架組件滾子軸承圓柱滾子推力軸承圓錐滾子推力軸承性能要求

高而均勻的硬度和耐磨性→足夠淬透性和淬硬性，>60HRC；高接觸疲勞強度→以免過早失效→保證材質(zhì)、組織；一定韌度→承受沖擊，以免碎裂；

尺寸穩(wěn)定性好→保證精度；一定耐蝕性→大氣、潤滑油腐蝕。關鍵因素

化學成分、冶金質(zhì)量和加工工藝性高而均勻的硬度和耐磨性→足夠關鍵因素化學成分

二、軸承鋼的冶金質(zhì)量和合金化冶金質(zhì)量要求

純凈→夾雜物要少：主要有各種氧化物（如A12O3）和硅酸鹽等；危害程度依次遞減：A12O3、球狀不變形夾雜、鋁硅酸鹽。接觸面小應力集中大易產(chǎn)生裂紋材質(zhì)純凈、組織均勻二、軸承鋼的冶金質(zhì)量和合金化冶金純凈→夾雜物要

氧化物夾雜數(shù)量對軸承鋼疲勞壽命的影響氧化物夾雜數(shù)量對軸承鋼疲勞壽命的影響組織均勻

碳化物細小均布。主要有三類K：

K液析→結晶時枝晶偏析而存在→高溫擴散退火，不允許液析嚴重；

帶狀K→軋制時二次碳化物偏析→高溫擴散退火；

網(wǎng)狀K→冷卻時在晶界析出→正火組碳化物細小均布。主要有三類K：圖GCr15鋼淬火回火態(tài)500×（回火隱晶馬氏體＋碳化物）

圖網(wǎng)狀碳化物500×

圖GCr15鋼淬火回火態(tài)500×圖網(wǎng)狀碳化

圖帶狀碳化物500×

圖碳化物液析500×

圖帶狀碳化物500×圖碳化物液析合金化高碳，加入Cr、Si、Mn等。如GCrl5、GCrl5SiMn。Cr含量?組織特點

經(jīng)合適的熱處理，應得到組織：細小均勻的奧氏體晶粒度5~8級；M中含0.5~0.6%C；隱晶M基體上分布細小均勻的粒狀K，體積分數(shù)約7~8%，一般可有少量AR。負荷較小時,為提高σ-1，可設計M中約含0.45%C，K體積分數(shù)約5%?！撝锌偤剂繎辖鸶咛?，加入Cr、Si、Mn等。如GCrl5、組織圖高碳鉻軸承鋼中馬氏體含碳量與疲勞壽命的關系圖高碳鉻軸承鋼中馬氏體含碳量與疲勞壽命的關系圖GCr15軸承鋼中未溶K量與疲勞壽命間的關系圖GCr15軸承鋼中未溶K量與疲勞壽命間的關系

三、高碳鉻軸承鋼的熱處理

工藝特點是簡單而要求高。熱處理特點

球化退火→為最終淬火作組織準備淬回火工藝參數(shù)對疲勞壽命有很大影響一般采用保護氣氛加熱或真空加熱160℃保溫3h或更長回火，硬度62~66HRC

如要求消除AR→淬火后立即冷處理,而后立即低溫回火。三、高碳鉻軸承鋼的熱處理熱球化退火→為最終淬火作

圖回火溫度對GCr15鋼力學性能的影響圖回火溫度對GCr15鋼力學性能的影響

圖軸承鋼深冷處理溫度對殘留奧氏體量的影響

1-GCr15，850℃淬火；2-Cr15SiMn，830℃淬火1-GCr15，850℃淬火2-Cr15SiMn，830℃淬火圖軸承鋼深冷處理溫度對殘留奧氏體量的影響1-GCr1思考題:

軸承鋼在淬火熱處理后,硬度檢驗時不允許有明顯的軟點,為什么?

如出現(xiàn)軟點,可能有哪些因素造成的?思考題:3.2.5低碳馬氏體鋼基本性能

抗拉強度σb，1150~1500MPa；屈服強度σs,950~1250MPa；

ψ≥40%；伸長率δ，≥10%；沖擊韌度AK≥6J。這些性能指標和中碳合金調(diào)質(zhì)鋼性能相當，常規(guī)的力學性能甚至優(yōu)于調(diào)質(zhì)鋼。

沒有獨立鋼類，有專門開發(fā)的低碳M鋼。低碳結構鋼采用淬火+低回工藝，可得到位錯板條M→強度、韌度和塑性的最佳配合3.2.5低碳馬氏體鋼基抗拉強度σb，111成分工藝特點0.15~0.25%C，→以保證淬火后獲得板M+Cr、Mo、Si、Mn、V等→↑淬透性等性能

15MnVB、20SiMn2MoV等是我國研制開發(fā)的

零件斷面尺寸↑，心部可能淬不透，→綜合性能↓

應根據(jù)零件的尺寸大小來選擇相應淬透性的鋼成分特點工藝特點高溫加熱較長t保溫高速冷卻1成分工藝特點0.15~0.25%C，→以保證淬2、低碳馬氏體結構鋼及應用

應用

在礦山、汽車、石油、機車車輛、農(nóng)業(yè)機械等制造工業(yè)中得到了廣泛的應用實例

石油鉆機吊環(huán)(卡)20SiMn2MoV代35鋼材料工藝重量kgσb/MPaAK/J35正火137.45505020SiMn2MoV

淬火291600110~120局限性

工作溫度<200℃;強化后難以進行冷加工\焊接等工序;只能用于中小件;淬火時變形大,要求嚴格的零件慎用.2、低碳馬氏體結構鋼及應用應在礦山、汽車、石油、機車

吊卡實物外形吊卡實物外形3.3表面強化態(tài)鋼

零件在滑動、滾動、接觸應力、摩擦等工況下工作

磨損和接觸疲勞是主要失效形式

表面應具有高硬度、高接觸疲勞抗力和良好耐磨性，而心部有一定塑韌性

滲碳鋼、滲氮鋼、感應加熱淬火鋼等

這類鋼適宜制造表面和心部性能要求不同的零件，通過某種工藝使零件表面硬度高耐磨而心部具有較好強韌性配合以滿足要求。典型零件有齒輪、凸輪等3.3表面強化態(tài)鋼零件在滑動、滾動、接觸磨各種類型的齒輪各種類型的齒輪3.3.1合金滲碳鋼

1、滲碳鋼的合金化一般含碳量在0.12~0.25％

保證得到強韌性好的板條M常用合金化元素

Mn、Cr、Ni主要↑淬透性

Ti、V、W、Mo細化晶粒

滲碳層性能:表層碳量、表層濃度梯度和滲層深度

滲碳層深度根據(jù)零件需要確定。原則上，滲碳層深度應大于零件的最大切應力深度。3.3.1合金滲碳鋼

1、滲碳鋼的合金化一般含碳量在合金元素對滲碳層表面含碳量和滲碳層厚度的影響

合金元素對滲碳層表面含碳量和滲碳層厚度的影響

表合金元素對滲碳工藝和滲碳層性能的影響表合金元素對滲碳工藝和滲碳層性能的影響心部強度滲層厚度表層強度外應力強度距離表面碳濃度太高滲層太淺

滲碳零件受力與滲層厚度的關系心部強度滲層厚度表層強度外應力強度距離表面碳濃度太高滲層太淺

2、常用滲碳鋼及熱處理

按淬透性可分為低、中和高淬透性鋼三類。

20Cr鋼：不宜滲碳后直接淬火。20CrV鋼可20CrMnTi鋼特點:①Cr、Mn復合，淬透性好，D油約40mm；②較高耐磨性和強韌度，特別是低溫韌度較好；③滲碳工藝性較好，晶粒長大傾向小，可直接淬火，變形也比較小。

廣泛制造汽車、拖拉機變速箱齒輪，離合器軸和車輛上的傘齒輪及主動軸等。2、常用滲碳鋼及熱處理20Cr鋼：不宜滲碳后直接淬火

滲碳后的熱處理工藝有直接淬火\一次淬火\二次淬火

.細晶粒鋼可用直接淬火.

18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A：高淬透性滲碳鋼。由于合金元素多，所以工藝可變程度大，獲得的組織性能也較復雜。

18Cr2Ni4WA可作為調(diào)質(zhì)鋼，低碳馬氏體鋼，也可作為滲碳鋼。滲碳和淬火工藝較復雜。主要用于要求高綜合力學性能和高耐磨性的重要件，如航空發(fā)動機齒輪等。滲碳后的熱處理工藝有直接淬火\一次淬火\二3.3.2氮化鋼

服役條件：有些零件工作時載荷不大，基本上無沖擊力；有摩擦，但比齒輪等零件的磨損要輕，同時也受到交變的疲勞應力。這一類零件重要的要求是能保持高的精度。常采用氮化鋼進行滲氮處理。3.3.2氮化鋼服役條件：

氮化鋼：多為碳含量偏低的中碳鉻鉬鋁鋼。國內(nèi)外廣泛使用的氮化鋼是38CrMoAl鋼，獲得最高氮化層硬度，達到900~1000HV。僅要求高疲勞強度的零件，可采用不含鋁的CrMo型氮化鋼，如35CrMo、40CrV、40Cr等，其氮化層的硬度控制在500~800HV。

工藝：氮化前，要經(jīng)過調(diào)質(zhì)熱處理以得到穩(wěn)定的回火索氏體組織，以保證零件最終的使用性能和使用過程中的尺寸穩(wěn)定性，同時也為獲得好的氮化層作組織準備。氮化鋼：多為碳含量偏低的中碳鉻鉬鋁鋼。

合金元素對氮化層深度和表面硬度的影響（550℃氮化24h）

合金元素對氮化層深度和表面硬度的影響思考題:

某精密鏜床主軸用38CrMoAlA鋼制,某重型齒輪銑床主軸用20CrMnTi制造,某普通車床主軸用40Cr鋼制造.試分析比較說明它們各自應采用什么樣的熱處理工藝及最終的組織和性能特點思考題:機器零件用鋼課件3.3.3低淬透性鋼感應加熱淬火與滲碳和氮化相比，特點有：

不改變表面化學成分，表面硬化而心部仍然保持較高的塑性和韌度；表面局部加熱，零件的淬火變形??；加熱速度快，可消除表面脫碳和氧化現(xiàn)象；在表面形成殘余壓應力，提高疲勞強度。

與滲碳相比，感應加熱淬火工藝常用于輕負荷工件或需要局部淬硬的軸類零件，其耐磨性和疲勞抗力不如滲碳工藝。

3.3.3低淬透性鋼感應加熱淬火與滲碳和氮化相比，特點有：概念是指淬透性比一般碳素鋼的淬透性還要低專門用于中、小模數(shù)（m=3~8）的齒輪應用特點得到沿著輪廓分布硬化層→“仿形硬化”

感應加熱淬火鋼主要有中碳低淬透性調(diào)質(zhì)鋼和低淬透性鋼。這里介紹低淬透性鋼概念是指淬透性比一般碳素鋼的淬透性還要低專門用于中、小模數(shù)（

硬化層分布(右為仿形硬化)

降低鋼淬透性措施:↓Mn、Si;

加入Ti

國家標準有55Ti、

60Ti、

70Ti等.硬化層分布(右為仿形硬化)降低鋼淬透性措3.4高錳耐磨鋼

一、高錳鑄鋼的化學成分及性能

特點：高碳、高錳。鑄件使用。常用高錳鑄鋼為ZGMn13型。鑄態(tài)組織一般是奧氏體、珠光體、馬氏體加碳化物復合組織，力學性能差，耐磨性低，不宜直接使用。經(jīng)過水韌處理（即固溶處理）后的顯微組織是單相奧氏體，軟而韌。3.4高錳耐磨鋼一、高錳鑄鋼的化學成分及性能二、高錳鋼的熱處理1、水韌處理加熱T應＞Acm，一般為1050~1100℃，在一定保溫時間下，K全部溶入A中2、高錳鋼導熱性較差，僅為碳素鋼的1/4~1/5，熱膨脹系數(shù)比普通鋼大50%，而且鑄件尺寸往往又較大，所以要緩慢加熱，以避免產(chǎn)生裂紋；二、高錳鋼的熱處理1、水韌處理加熱T應＞Acm，

13%Mn合金鋼的垂直截面相圖13%Mn合金鋼的垂直截面相圖3、鑄件出爐至入水時間應盡量縮短，以避免碳化物析出。冷速要快，常采用水冷。水冷前水溫不宜超過30℃，水冷后水溫應小于60℃；？

？4、水韌處理后不宜再進行250~350℃的回火處理，也不宜在250~350℃以上溫度環(huán)境中使用。？

？3、鑄件出爐至入水時間應盡量縮短，以

三、高錳鋼的耐磨性及應用耐磨機理

大形變在A基體中產(chǎn)生大量層錯、形變孿晶、ε和α馬氏體而硬化。表面硬度從原來200HB左右可↑到500HB以上，硬化深度可達10~20mm，而心部仍保持A，所以能承受較大沖擊載荷而不破裂。在表層逐漸被磨掉的同時，硬化層不斷地向內(nèi)發(fā)展━━“前赴后繼”。在低應力和低沖擊載荷下，耐磨性往往不一定好。三、高錳鋼的耐磨性及應用耐大形變在A基體中產(chǎn)應用

廣泛應用于承受大沖擊載荷、強烈磨損的工況下工作的零件，如各式碎石機的襯板、顎板、磨球，挖掘機斗齒、坦克的履帶板等。保險箱?思考題

高錳鋼經(jīng)水韌處理能得到全部A，而緩冷卻得到大量M。為什么?應廣泛應用于承受大沖擊載荷、思高錳鋼經(jīng)水韌處理能3.5零件材料選擇基本原則

一、選擇材料的基本原則1、材料使用性能要求

→最大限度發(fā)揮材料潛力

2、材料的工藝性能

→加工工藝性能良好3、經(jīng)濟性涉及材料的價格、加工成本、國家資源情況等,零件的總成本與零件壽命的關系4、其它因素材料毛坯的選擇、生產(chǎn)設備的可能性、環(huán)境協(xié)調(diào)性等3.5零件材料選擇基本原則

一、選擇材料的基本原則1、材

二、零件的加工工藝路線

基本上可分為三類：

（1）性能要求不高的零件

一般是鑄鐵和碳鋼制造。其工藝路線比較簡單：毛坯→正火（退火→機械加工→零件。如直接用型材加工，則不需要進行熱處理。

（2）性能要求較高的零件

合金鋼制造的軸、齒輪等零件。工藝路線：毛坯→預先熱處理→機械粗加工→最終熱處理（淬火回火或滲碳淬火等)→精加工。二、零件的加工工藝路線

（3）要求高的精密零件

一般用于精密絲桿、主軸等。工藝路線為：毛坯→預先熱處理→機械粗加工→

熱處理→半精加工→氮化處理→精加工→

去應力退火→零件。

（3）要求高的精密零件

三、選擇材料的基本思路及方法

分析零件工作條件

確定主要失效抗力指標作為選材的基本依據(jù)

考慮工藝措施考察經(jīng)濟性和生產(chǎn)成本選擇材料注意

要合理引用手冊上材料的力學性能數(shù)據(jù)；盡量選用簡化加工工藝的材料；零件材料選擇要考慮零件的綜合成本三、選擇材料的基本思路及方法分析零件確定主要失效抗力指

四、典型零件材料選擇與工藝分析

1、齒輪類零件不同機械的齒輪，其工作條件差別很大，所以在選擇材料和熱處理工藝上也有很大不同。機床齒輪

載荷不大，工作平穩(wěn)，一般無大的沖擊力，轉(zhuǎn)速也不高。常選用調(diào)質(zhì)鋼制造，如45、40Cr、42SiMn等鋼，熱處理工藝為正火或調(diào)質(zhì)，高頻感應加熱淬火一般工藝路線為：備料→鍛造→正火→粗加工→調(diào)質(zhì)處理→半精加工→高頻淬火+回火→磨削四、典型零件材料選擇與工藝分析機載荷不大，工作汽拖齒輪

汽車、拖拉機上的變速箱齒輪屬于重載荷齒輪。一般都采用滲碳鋼，如20Cr、20CrMnTi等，進行滲碳熱處理。一般工藝路線為：備料→鍛造→正火→粗加工→滲碳+淬火+回火→噴丸→磨削汽汽車、拖拉機上的變速箱齒輪屬于重載荷齒一般工藝重載齒輪

航空發(fā)動機齒輪和一些重型機械上的齒輪承受高速和重載，一般多采用高淬透性滲碳鋼，如12CrNi3A、18Cr2Ni4WA等鋼。工藝路線較復雜：備料→模鍛→正火+高溫回火→機械加工→滲碳→高溫回火→機械加工→淬火+回火→精加工→檢驗。重航空發(fā)動機齒輪和一些重型機械上的齒輪承工藝路線2、軸類零件

軸是各類機械中最基本零件，也是關鍵零部件。它直接影響精度和使用壽命。各種軸的尺寸差別很大，一般鐘表的軸直徑在0.5mm以下，而汽輪機轉(zhuǎn)子軸直徑可達1m以上。2、軸類零件軸是各類機械中最基本零件，也是關鍵服役條件主要共同點①傳遞扭矩，交變性，有時會承受彎曲、拉壓負荷；②都有軸承支承，軸頸處受磨損，需要較高的硬度，耐磨性好；③大多數(shù)承受一定的沖擊和過載。主要失效方式

斷裂、疲勞斷裂和過量磨損?！S類零件主要是按強度來選材的，并考慮一定韌度和耐磨性。服役條①傳遞扭矩，交變性，有時會承受主要失斷裂、

目前常用軸的材料及工藝如下：（1）輕載主軸。如普通車床主軸，負荷小，沖擊力不大，磨損也不嚴重，一般采用45鋼，整體經(jīng)正火或調(diào)質(zhì)處理，軸頸處高頻感應加熱淬火。（2）中載主軸。如銑床，中等負荷，有一定沖擊力，磨損也較重，一般用40Cr等制造，進行調(diào)質(zhì)處理，軸頸處高頻感應加熱淬火。如沖擊力較大，也可用20Cr等鋼進行滲碳淬火目前常用軸的材料及工藝如下：（1）輕載主軸。如普通車床主軸（3）重載主軸。如組合機床的主軸，負荷較大，沖擊力大，磨損嚴重，可用20CrMnTi

鋼制造，滲碳淬火。（4）高精度主軸。如精密鏜床的主軸，雖然負荷不大，磨損也不嚴重，但是精度要求很高，一般可用38CrMoAlA氮化鋼制造，經(jīng)調(diào)質(zhì)后氮化處理，可滿足要求（3）重載主軸。如組合機床的主軸，負荷較（4）高精度主軸。如

小結

材料學主線：

服役條件→技術要求→選擇材料→強化工藝→組織結構→最終性能→應用、失效。尋求最佳方案，充分發(fā)掘材料潛力。小結

材料成分、工藝、組織、性能間的關系零件性能要求材料成分服役條件強化工藝使用性能組織結構材料成分、工藝、組織、性能間的關系零件性能材料服役強化使

材料學的強韌矛盾：

掌握理解固溶強化、位錯強化、細晶強化和彌散強化等強化機理是很重要的，這是理解強韌化矛盾及其互相長消規(guī)律的基礎。各種強化機制在處理過程中是相互轉(zhuǎn)化的。關鍵因素：鋼的合金化和處理工藝材料學的強韌矛盾：掌握理解固溶強化、位

材料學“思想”：

材料學是一門很有“思想”的課程。主要的“思想”：作用的辨證與矛盾的轉(zhuǎn)化。如，對結構鋼是強度-韌度的匹配，對工模具鋼主要是韌度-耐磨性的協(xié)調(diào)。材料中的這些矛盾涉及到合金化設計、處理工藝等。材料學“思想”：材料學是一門很有“思高強度鋼發(fā)展過程實例美4130(0.3%C,Cr,Mo)應用時σ不夠4340(40CrNiMo)應用廣泛+C發(fā)現(xiàn)Si作用→4340+1.6Si+0.08V發(fā)現(xiàn)V作用,↑整體強韌水平↓C,+V→細化晶粒4335σ相似,韌性↑300M,強韌水平同時再提高M板或B下或兩相組織高強度鋼發(fā)展過程實例美4130(0.3%C,Cr,Mo)43合金化基本原則：多元適量，復合加入。

（1）提高性能。提高淬透性等性能，復合的作用不是線性相加的。如Cr-Ni復合

（2）揚長避短。合金元素一般都有優(yōu)缺點,為克服不足，可以復合加入來相互彌補。如：Si-Mn,Mn-V配合

（3）改善碳化物類型與分布。某些元素的加入會改變鋼中所形成的碳化物的類型與分布，或改變其它元素的存在形式和位置，從而可提高性能。如Cr-V合金化基本原則：多元適量，復合加入。（1）提高性能。提

適量：主要是作用,也有經(jīng)濟性問題

①有的元素增多后，會降低材料塑韌性。如低碳構件鋼中的Si、Mn含量。

②有些合金元素增多，會惡化K的分布。如軸承鋼中的Cr

③有的元素含量過多，會改變K類型，增加熱處理過程難度。如V，Mo含量。

④合金元素的作用往往不是隨量的增加而線性地增加的。適量：主要是作用,也有經(jīng)濟性問題①有的元素增第3章機器零件用鋼

根據(jù)鋼的生產(chǎn)工藝和用途，可分為：調(diào)質(zhì)鋼、低碳馬氏體鋼、超高強度結構鋼、滲碳鋼、氮化鋼、彈簧鋼、軸承鋼和易削鋼等。第3章機器零件用鋼根據(jù)鋼的生產(chǎn)工藝和用途3.1概述

一、機器零件用鋼的性能要求

1、具有良好的冷熱加工工藝性如鍛造、沖壓、熱處理、車、銑、刨、磨等。

2、具有良好的力學性能不同零件，對鋼強、塑、韌、疲勞、耐磨性等有不同要求。一般為亞共析鋼，低合金或中合金，優(yōu)質(zhì)鋼或高級優(yōu)質(zhì)鋼。3.1概述一、機器零件用鋼的性能要求

二、機器零件用鋼合金化特點

主加元素

Cr、Mn、Si、Ni。主要作用：↑淬透性和力學性能。輔加元素

Mo、W、V等

↓過熱敏感性，↓回脆，↑淬透性。最佳范圍

獲得最佳性能→稱為極限合金化理論結構鋼常用范圍為：<1.2%Si,<2%Mn，1~2%Cr,1~4%Ni，<0.5%Mo，<0.2%V,<0.1%Ti，0.4~0.8%W。或是單獨加入，或是復合加入。二、機器零件用鋼合金化特點主加Cr、Mn

三、零件材料和工藝選擇途徑①低碳馬氏體型結構鋼，采用淬火+低溫回火。為↑耐磨性，可進行滲碳處理；汽車拖拉機齒輪類為代表.②回火索氏體型，選擇中碳鋼，采用淬火+高溫回火。為↑耐磨性，可進行滲氮處理或高頻感應加熱淬火等表面硬化工藝方法。軸類零件為典型。1、對于要求良好綜合力學性能，零件選材料的途徑為：三、零件材料和工藝選擇途徑①低碳馬氏體型2、如要求更高的強度，則適當犧牲塑韌性?？蛇x擇中碳鋼，采用低溫回火工藝。如低合金中碳馬氏體鋼。農(nóng)業(yè)機械較多.3、如要求高的彈性極限和屈服強度，又要有較高的塑性和韌度，則選擇中高碳鋼，進行中溫回火。如彈簧鋼。4、零件要求高強度、高硬度，高接觸疲勞性和一定的塑性和韌度，可用高碳鋼，淬火+低溫回火。如軸承鋼。

2、如要求更高的強度，則適當犧牲塑韌辨證思維

由于不同機器零件的服役條件和失效方式不同，主要的設計依據(jù)和失效判據(jù)也不同，所以應合理選擇鋼的含碳量和熱處理工藝。

應該明確:

一般情況下，某零件制造的材料并不是唯一的；某一種鋼采用不同的熱處理工藝可以制造不同類型的零件；某一零件用某一材料制造，其熱處理工藝方法也可能是多種的。

辨由于不同機器零件的服役條件和失效方式不同，主要的3.2整體強化態(tài)鋼基本情況

整體強化態(tài)鋼均承受拉、壓、扭等交變應力，大部分是整體受力。其主要失效形式是疲勞破壞，主要性能指標σ-1、Rm、AK、KIC等?？傮w上要求良好的綜合力學性能。主要應用

主要制造軸、桿、軸承類等機器零件，如連桿、螺栓、主軸、半軸等。這類鋼主要有調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼、軸承鋼、低碳馬氏體鋼、超高強度鋼等。3.2整體強化態(tài)鋼基整體強化態(tài)鋼均承受拉、壓

汽車半軸

a)一端法蘭式;

b)二端花鍵式;

c)變截面臺階式

M7150A砂輪主軸汽\拖用連桿汽車半軸

a)一端法蘭式;

b)二端花下圖T615K鏜床鏜桿上圖S7332螺紋磨床絲杠下圖T615K鏜床鏜桿上圖S7332螺紋磨床絲杠

3.2.1調(diào)質(zhì)鋼

1、淬透性原則淬透性相同的同類調(diào)質(zhì)鋼，可互相代用

0.25~0.45%C的合金鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)后室溫性能變化

屈服強度相同的碳鋼和合金結構鋼斷面收縮率變化

3.2.1調(diào)質(zhì)鋼1、淬透性原則淬透性相同的結構鋼抗拉強度與硬度的關系結構鋼是否淬透對屈強比的影響結構鋼抗拉強度與硬度的關系結構鋼是否淬透對屈強比的影響

2、合金化及常用鋼

含碳量在0.25~0.45%。常用合金元素作用：Mn：↑↑淬透性，但↑過熱傾向，↑回脆傾向；Cr：↑↑淬透性，↑回穩(wěn)性，但↑回脆傾向；Ni:↑基體韌度，Ni-Cr復合↑↑淬透性，↑回脆；Mo：↑淬透性,↑回穩(wěn)性，細晶,↓↓回脆傾向；V：有效細晶，(↑淬透性)，↓↓過熱敏感性。2、合金化及常用鋼Mn：↑↑淬透性，但↑過熱傾向，↑回脆

在機械制造工業(yè)中，調(diào)質(zhì)鋼是按淬透性高低來分級的。DC為油淬臨界直徑

低淬透性合金鋼:DC<30~40mm,有40Cr、40Mn2、42SiMn、35CrMo、42Mn2V等

中淬透性合金鋼:DC:40~60mm,有40CrNi、42CrMo、40CrMn、30CrMnSi等

高淬透性合金鋼:DC≥60~100mm,有37CrNi3、40CrNiMo、40CrMnMo等在機械制造工業(yè)中，調(diào)質(zhì)鋼是按淬透性高低來

分析比較：40Cr→40CrNi→40CrNiMo淬透性回脆性回穩(wěn)性塑韌性

40CrNiMo>40CrNi>40Cr

40CrNiMo>40CrNi>40Cr

40CrNiMo>40CrNi>40Cr

40CrNi>40Cr>40CrNiMo思考：以Mn代Ni，在性能上有什么差別？分析比較：40Cr→40CrNi→40CrNiMo淬3、調(diào)質(zhì)鋼強韌化工藝的發(fā)展

正確認識性能指標AK是一次大能量沖擊性能指標，小能量多沖條件下工作的，很難正確反映。有些重要零件應以斷裂韌度KIC來衡量。由于服役條件差異，鋼最佳綜合性能也不一定都是高溫回火態(tài)好。零件在承受沖擊能量大時，鋼強度應低些，塑性和韌度宜高些；沖擊能量較小時，強度應高些。以達最佳配合。3、調(diào)質(zhì)鋼強韌化工藝的發(fā)展正確AK是一次大綜合強化工藝

如復合熱處理，即熱處理強化、表面處理及形變強化工藝結合起來。如汽車轉(zhuǎn)向節(jié)園角處進行高頻淬火處理后，疲勞壽命提高了50倍冷變形鍛造余熱淬火

如滾壓、噴丸等冷變形方法的效果也比較好,能提高零件壽命

既能節(jié)約能源、簡化工序，又能細化組織，提高零件的強韌性。如柴油機連桿，已普遍采用鍛造余熱淬火工藝綜合如復合熱處理，即熱處理強化、表面冷變鍛造3.2.2微合金非調(diào)質(zhì)鋼

一、微合金元素對強韌化的貢獻

非調(diào)鋼組織：主要是F+P+彌散析出K。主要強化作用：細化組織和相間沉淀。微合金化元素：Ti、Nb、V、N等元素，

V是主要的。多元適量，復合加入：Nb-V-N和Ti-V等—

主要貢獻是細化組織。3.2.2微合金非調(diào)質(zhì)鋼一、微合金元素對強韌化的貢

二、獲得最佳強韌化的工藝因素相間析出沉淀強化細化組織工藝參數(shù)是關鍵

細化組織和沉淀析出要協(xié)調(diào)控制軋制控制冷卻

決定各種強化機制的效果二、獲得最佳強韌化的工藝因素相間沉淀強化細化組織工藝相間沉淀析出示意圖相間沉淀析出示意圖

三、組織因素對強韌性貢獻的大小

間隙型碳氮化合物沉淀析出的強化量一般認為可提高150~400MPa，甚至可達到600MPa。細化組織強化量大約在50~300MPa，脆化矢量為-0.66℃/MPa。其它強化機制都不同程度地降低韌度三、組織因素對強韌性貢獻的大小C、N原子的固溶強化，其脆化矢量分別為0.72℃/MPa、1.97℃/MPa；

Mn和Cr元素的脆化矢量為零；

Si為0.53℃/MPa。鐵素體中固溶C、N量極小，Mn和Si固溶量有限。所以固溶強化相對是較小的。

在強化機制上，不同的成分和工藝是不同的，所以使鋼的組織、性能也有很大的差異。C、N原子的固溶強化，其脆化矢量分別在強化Mn對非調(diào)質(zhì)鋼韌度的影響

V、Ti、Nb對強度的影響Mn對非調(diào)質(zhì)鋼韌度的影響V、Ti、Nb對強四非調(diào)質(zhì)鋼的優(yōu)化設計

通過合適的成分配比和工藝控制可達到同時提高強度和韌度的目的。

+CU為沖擊韌性,Rm為抗拉強度,D是珠光體片間距,fp是珠光體體積分數(shù),dr為奧氏體晶粒大小,△Rmp四非調(diào)質(zhì)鋼的優(yōu)化設計通過合適的成分配比和工藝控制可復合微合金化非調(diào)質(zhì)鋼典型成分復合微合金化非調(diào)質(zhì)鋼典型成分

3.2.3彈簧鋼

一、彈簧的服役條件及性能要求

彈簧功能儲能減振彈簧類型板簧，螺簧；壓簧、拉簧和扭簧等3.2.3彈簧鋼一、彈簧的服役條件及性能要求

典型的螺旋彈簧及板簧壓縮螺簧拉伸螺簧扭轉(zhuǎn)螺簧單板彈簧橢圓板簧疊形板簧

卡簧（圈）基本形狀碟形彈簧截面

扭桿彈簧

a)實芯扭桿b)串聯(lián)式扭桿

卡簧（圈）基本形狀碟形彈簧截面扭桿彈簧板簧彎曲載荷螺簧扭轉(zhuǎn)應力疲勞破壞彈性減退

高的彈性極限σe、屈強比σs/σb→彈性↓

高的疲勞強度σ-1→避免早期疲勞破壞有足夠的塑性和韌性→

不產(chǎn)生脆性斷裂

足夠的淬透性→保證σe和整體強度

其他要求:冶金質(zhì)量、表面質(zhì)量板簧彎曲載荷螺簧扭轉(zhuǎn)應力疲勞破壞高的彈性極限σe、屈強比思考題：為什么彈簧要求有好的表面質(zhì)量，如表面不允許有裂紋、折迭、嚴重脫碳等缺陷?思考題：二、常用彈簧鋼及強化工藝

合金化：含碳量在0.60~1.05％,低合金彈簧鋼在0.40~0.74％C。?+Si、Mn、Cr、V等合金元素.Cr和Mn主要是提高淬透性，Si提高彈性極限，V提高淬透性和細化晶粒.二、常用彈簧鋼及強化工藝合金化：

60Si2Mn:①Si、Mn復合,強化F,→↑σe，σs/σb可達到0.8~0.9；

②

Si

/Mn

↑淬透性，Ms不過分↓,開裂傾向小;

③

Si有效↑回穩(wěn)性,但↑脫C傾向;

④

Si、Mn復合，脫碳和過熱敏感性較硅鋼、錳鋼為小.常用硅錳板簧鋼有60Si2Mn、55Si2Mn等60Si2Mn:常用硅錳板簧鋼有60Si2Mn、55S常用螺旋彈簧鋼有50CrVA等。

50CrVA:①Cr、V均↑回穩(wěn)性,韌性好；

②

V細化晶粒,↓過熱敏感性;

③

含Si少,脫C敏感性↓,熱處理不易脫C;

常用于受應力高的螺旋彈簧及<300℃工作的閥門彈簧.常用螺旋彈簧鋼有50CrVA等。50CrVA:基本工藝方式熱成形彈簧冷成形彈簧大型彈簧

熱成形后+淬、回火小型彈簧冷變形或熱處理強化+冷成形+低溫退火基本熱成形冷成形大型熱成形后+小型冷變形或熱處

火車緩沖壓縮螺旋彈簧熱成形的三種熱處理工藝

a)常規(guī)熱處理b)熱卷簧余熱淬火c)高溫形變熱處理火車緩沖壓縮螺旋彈簧熱成形的思考題：大型彈簧為什么要先成形后強化，小型彈簧先強化后成形?

小型彈簧成形后為什么進行低溫退火?機器零件用鋼課件熱處理工藝淬火和中溫回火

回火屈氏體

具有一定的沖擊韌度，較高的彈性極限、屈強比和最高的疲勞強度關鍵問題:彈性參數(shù)和韌性參數(shù)之間的平衡或最佳配合。熱處理淬火和回火具有一定的沖擊韌度，較高的彈性極關

60Si2Mn鋼力學性能與回火溫度的關系

55Si2Mn鋼疲勞強度隨回火溫度的變化60Si2Mn鋼力學性能與55Si2Mn鋼疲勞強度隨形變強化效果好

板簧最適合形變強化:

滾壓、噴丸等冷變形強化強化都能有效地提高板簧使用壽命,如結合高溫形變熱處理則更好板簧噴丸作用舉例:

疲勞強度(MPa)

板厚/mm未噴丸噴丸應力噴丸

1339047080011350700850形變強化效果好板簧最適合形變強化:板簧噴丸作用舉例:3.2.4滾動軸承鋼

一、滾動軸承鋼的工作特點及性能要求

滾動軸承由內(nèi)、外圈和滾動體（珠、柱、錐、針）及保持器組成。工作條件高負荷→最大接觸應力可高達3000~5000MPa高轉(zhuǎn)速→循環(huán)周次高達每分鐘數(shù)萬次；高靈敏度→精度要求高→磨損、麻點→噪音失效形式接觸疲勞破壞，麻點、剝落3.2.4滾動軸承鋼一、滾動軸承鋼的工作特點及性能要

滾動軸承及其受到載分布情況

滾動軸承及其受到載分布情況滾針保持架組件滾子軸承圓柱滾子推力軸承圓錐滾子推力軸承滾針保持架組件滾子軸承圓柱滾子推力軸承圓錐滾子推力軸承性能要求

高而均勻的硬度和耐磨性→足夠淬透性和淬硬性，>60HRC；高接觸疲勞強度→以免過早失效→保證材質(zhì)、組織；一定韌度→承受沖擊，以免碎裂；

尺寸穩(wěn)定性好→保證精度；一定耐蝕性→大氣、潤滑油腐蝕。關鍵因素

化學成分、冶金質(zhì)量和加工工藝性高而均勻的硬度和耐磨性→足夠關鍵因素化學成分

二、軸承鋼的冶金質(zhì)量和合金化冶金質(zhì)量要求

純凈→夾雜物要少：主要有各種氧化物（如A12O3）和硅酸鹽等；危害程度依次遞減：A12O3、球狀不變形夾雜、鋁硅酸鹽。接觸面小應力集中大易產(chǎn)生裂紋材質(zhì)純凈、組織均勻二、軸承鋼的冶金質(zhì)量和合金化冶金純凈→夾雜物要

氧化物夾雜數(shù)量對軸承鋼疲勞壽命的影響氧化物夾雜數(shù)量對軸承鋼疲勞壽命的影響組織均勻

碳化物細小均布。主要有三類K：

K液析→結晶時枝晶偏析而存在→高溫擴散退火，不允許液析嚴重；

帶狀K→軋制時二次碳化物偏析→高溫擴散退火；

網(wǎng)狀K→冷卻時在晶界析出→正火組碳化物細小均布。主要有三類K：圖GCr15鋼淬火回火態(tài)500×（回火隱晶馬氏體＋碳化物）

圖網(wǎng)狀碳化物500×

圖GCr15鋼淬火回火態(tài)500×圖網(wǎng)狀碳化

圖帶狀碳化物500×

圖碳化物液析500×

圖帶狀碳化物500×圖碳化物液析合金化高碳，加入Cr、Si、Mn等。如GCrl5、GCrl5SiMn。Cr含量?組織特點

經(jīng)合適的熱處理，應得到組織：細小均勻的奧氏體晶粒度5~8級；M中含0.5~0.6%C；隱晶M基體上分布細小均勻的粒狀K，體積分數(shù)約7~8%，一般可有少量AR。負荷較小時,為提高σ-1，可設計M中約含0.45%C，K體積分數(shù)約5%?！撝锌偤剂繎辖鸶咛迹尤隒r、Si、Mn等。如GCrl5、組織圖高碳鉻軸承鋼中馬氏體含碳量與疲勞壽命的關系圖高碳鉻軸承鋼中馬氏體含碳量與疲勞壽命的關系圖GCr15軸承鋼中未溶K量與疲勞壽命間的關系圖GCr15軸承鋼中未溶K量與疲勞壽命間的關系

三、高碳鉻軸承鋼的熱處理

工藝特點是簡單而要求高。熱處理特點

球化退火→為最終淬火作組織準備淬回火工藝參數(shù)對疲勞壽命有很大影響一般采用保護氣氛加熱或真空加熱160℃保溫3h或更長回火，硬度62~66HRC

如要求消除AR→淬火后立即冷處理,而后立即低溫回火。三、高碳鉻軸承鋼的熱處理熱球化退火→為最終淬火作

圖回火溫度對GCr15鋼力學性能的影響圖回火溫度對GCr15鋼力學性能的影響

圖軸承鋼深冷處理溫度對殘留奧氏體量的影響

1-GCr15，850℃淬火；2-Cr15SiMn，830℃淬火1-GCr15，850℃淬火2-Cr15SiMn，830℃淬火圖軸承鋼深冷處理溫度對殘留奧氏體量的影響1-GCr1思考題:

軸承鋼在淬火熱處理后,硬度檢驗時不允許有明顯的軟點,為什么?

如出現(xiàn)軟點,可能有哪些因素造成的?思考題:3.2.5低碳馬氏體鋼基本性能

抗拉強度σb，1150~1500MPa；屈服強度σs,950~1250MPa；

ψ≥40%；伸長率δ，≥10%；沖擊韌度AK≥6J。這些性能指標和中碳合金調(diào)質(zhì)鋼性能相當，常規(guī)的力學性能甚至優(yōu)于調(diào)質(zhì)鋼。

沒有獨立鋼類，有專門開發(fā)的低碳M鋼。低碳結構鋼采用淬火+低回工藝，可得到位錯板條M→強度、韌度和塑性的最佳配合3.2.5低碳馬氏體鋼基抗拉強度σb，111成分工藝特點0.15~0.25%C，→以保證淬火后獲得板M+Cr、Mo、Si、Mn、V等→↑淬透性等性能

15MnVB、20SiMn2MoV等是我國研制開發(fā)的

零件斷面尺寸↑，心部可能淬不透，→綜合性能↓

應根據(jù)零件的尺寸大小來選擇相應淬透性的鋼成分特點工藝特點高溫加熱較長t保溫高速冷卻1成分工藝特點0.15~0.25%C，→以保證淬2、低碳馬氏體結構鋼及應用

應用

在礦山、汽車、石油、機車車輛、農(nóng)業(yè)機械等制造工業(yè)中得到了廣泛的應用實例

石油鉆機吊環(huán)(卡)20SiMn2MoV代35鋼材料工藝重量kgσb/MPaAK/J35正火137.45505020SiMn2MoV

淬火291600110~120局限性

工作溫度<200℃;強化后難以進行冷加工\焊接等工序;只能用于中小件;淬火時變形大,要求嚴格的零件慎用.2、低碳馬氏體結構鋼及應用應在礦山、汽車、石油、機車

吊卡實物外形吊卡實物外形3.3表面強化態(tài)鋼

零件在滑動、滾動、接觸應力、摩擦等工況下工作

磨損和接觸疲勞是主要失效形式

表面應具有高硬度、高接觸疲勞抗力和良好耐磨性，而心部有一定塑韌性

滲碳鋼、滲氮鋼、感應加熱淬火鋼等

這類鋼適宜制造表面和心部性能要求不同的零件，通過某種工藝使零件表面硬度高耐磨而心部具有較好強韌性配合以滿足要求。典型零件有齒輪、凸輪等3.3表面強化態(tài)鋼零件在滑動、滾動、接觸磨各種類型的齒輪各種類型的齒輪3.3.1合金滲碳鋼

1、滲碳鋼的合金化一般含碳量在0.12~0.25％

保證得到強韌性好的板條M常用合金化元素

Mn、Cr、Ni主要↑淬透性

Ti、V、W、Mo細化晶粒

滲碳層性能:表層碳量、表層濃度梯度和滲層深度

滲碳層深度根據(jù)零件需要確定。原則上，滲碳層深度應大于零件的最大切應力深度。3.3.1合金滲碳鋼

1、滲碳鋼的合金化一般含碳量在合金元素對滲碳層表面含碳量和滲碳層厚度的影響

合金元素對滲碳層表面含碳量和滲碳層厚度的影響

表合金元素對滲碳工藝和滲碳層性能的影響表合金元素對滲碳工藝和滲碳層性能的影響心部強度滲層厚度表層強度外應力強度距離表面碳濃度太高滲層太淺

滲碳零件受力與滲層厚度的關系心部強度滲層厚度表層強度外應力強度距離表面碳濃度太高滲層太淺

2、常用滲碳鋼及熱處理

按淬透性可分為低、中和高淬透性鋼三類。

20Cr鋼：不宜滲碳后直接淬火。20CrV鋼可20CrMnTi鋼特點:①Cr、Mn復合，淬透性好，D油約40mm；②較高耐磨性和強韌度，特別是低溫韌度較好；③滲碳工藝性較好，晶粒長大傾向小，可直接淬火，變形也比較小。

廣泛制造汽車、拖拉機變速箱齒輪，離合器軸和車輛上的傘齒輪及主動軸等。2、常用滲碳鋼及熱處理20Cr鋼：不宜滲碳后直接淬火

滲碳后的熱處理工藝有直接淬火\一次淬火\二次淬火

.細晶粒鋼可用直接淬火.

18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A：高淬透性滲碳鋼。由于合金元素多，所以工藝可變程度大，獲得的組織性能也較復雜。

18Cr2Ni4WA可作為調(diào)質(zhì)鋼，低碳馬氏體鋼，也可作為滲碳鋼。滲碳和淬火工藝較復雜。主要用于要求高綜合力學性能和高耐磨性的重要件，如航空發(fā)動機齒輪等。滲碳后的熱處理工藝有直接淬火\一次淬火\二3.3.2氮化鋼

服役條件：有些零件工作時載荷不大，基本上無沖擊力；有摩擦，但比齒輪等零件的磨損要輕，同時也受到交變的疲勞應力。這一類零件重要的要求是能保持高的精度。常采用氮化鋼進行滲氮處理。3.3.2氮化鋼服役條件：

氮化鋼：多為碳含量偏低的中碳鉻鉬鋁鋼。國內(nèi)外廣泛使用的氮化鋼是38CrMoAl鋼，獲得最高氮化層硬度，達到900~1000HV。僅要求高疲勞強度的零件，可采用不含鋁的CrMo型氮化鋼，如35CrMo、40CrV、40Cr等，其氮化層的硬度控制在500~800HV。

工藝：氮化前，要經(jīng)過調(diào)質(zhì)熱處理以得到穩(wěn)定的回火索氏體組織，以保證零件最終的使用性能和使用過程中的尺寸穩(wěn)定性，同時也為獲得好的氮化層作組織準備。氮化鋼：多為碳含量偏低的中碳鉻鉬鋁鋼。

合金元素對氮化層深度和表面硬度的影響（550℃氮化24h）

合金元素對氮化層深度和表面硬度的影響思考題:

某精密鏜床主軸用38CrMoAlA鋼制,某重型齒輪銑床主軸用20CrMnTi制造,某普通車床主軸用40Cr鋼制造.試分析比較說明它們各自應采用什么樣的熱處理工藝及最終的組織和性能特點思考題:機器零件用鋼課件3.3.3低淬透性鋼感應加熱淬火與滲碳和氮化相比，特點有：

不改變表面化學成分，表面硬化而心部仍然保持較高的塑性和韌度；表面局部加熱，零件的淬火變形??；加熱速度快，可消除表面脫碳和氧化現(xiàn)象；在表面形成殘余壓應力，提高疲勞強度。

與滲碳相比，感應加熱淬火工藝常用于輕負荷工件或需要局部淬硬的軸類零件，其耐磨性和疲勞抗力不如滲碳工藝。

3.3.3低淬透性鋼感應加熱淬火與滲碳和氮化相比，特點有：概念是指淬透性比一般碳素鋼的淬透性還要低專門用于中、小模數(shù)（m=3~8）的齒輪應用特點得到沿著輪廓分布硬化層→“仿形硬化”

感應加熱淬火鋼主要有中碳低淬透性調(diào)質(zhì)鋼和低淬透性鋼。這里介紹低淬透性鋼